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tiankong
Kalman滤波和MATLAB实现
卡尔曼滤波器(KalmanFilter)是一个最优化自回归数据处理算法(optimalrecursive
dataprocessingalgorithm)。对于解决很大部分的问题,他是最优,效率最高甚至是最有用的。
他的广泛应用已经超过30年,包括机器人导航,控制,传感器数据融合甚至在军事方面的
雷达系统以及导弹追踪等等。近年来更被应用于计算机图像处理,例如头脸识别,图像分割,
图像边缘检测等等
简单来说,卡尔曼滤波器是一个“optimalrecursivedataprocessingalgorithm(最优化自
回归数据处理算法)”。对于解决很大部分的问题,他是最优,效率最高甚至是最有用的。他
的广泛应用已经超过30年,包括机器人导航,控制,传感器数据融合甚至在军事方面的雷
达系统以及导弹追踪等等。近年来更被应用于计算机图像处理,例如头脸识别,图像分割,
图像边缘检测等等。
为了可以更加容易的理解卡尔曼滤波器,这里应用形象的描述方法讲解,不像参考书那
样罗列一大堆的数学公式和数学符号。但是,他的5条公式是其核心内容。结合现代的计算
机,其实卡尔曼的程序相当的简单,只要你理解了他的那5条公式。
假设我们要研究的对象是一个房间的温度。根据你的经验判断,这个房间的温度是恒
定的,也就是下一分钟的温度等于现在这一分钟的温度。假设你对你的经验不是100%的相
信,可能会有上下偏差几度。我们把这些偏差看成是高斯白噪声,也就是这些偏差跟前后时
间是没有关系的而且符合高斯分配。另外,我们在房间里放一个温度计,但是这个温度计也
是不准确的,测量值会比实际值有偏差。我们也把这些偏差看成是高斯白噪声。
好了,现在对于某一分钟我们有两个有关该房间的温度值:你根据经验的预测值(系
统的预测值)和温度计的值(测量值)。下面我们要用这两个值结合他们各自的噪声来估算
出房间的实际温度值。
假如我们要估算k时刻的实际温度值。首先你要根据k-1时刻的温度值,来预测k时刻
的温度。因为你相信温度是恒定的,所以你会得到k时刻的温度预测值是跟k-1时刻一样的,
假定是23度,同时该值的高斯噪声的偏差是5度(5是这样得到的:如果k-1时刻估算出
的最优温度值的偏差是3,你对自己预测的不确定度是4度,他们平方相加再开方,就是5)。
然后,你从温度计那里得到了k时刻的温度值,假设是25度,同时该值的偏差是4度。
由于我们用于估算k时刻的实际温度有两个温度值,分别是23度和25度。究竟实际温
度是多少呢?相信自己还是相信温度计呢?究竟相信谁多一点,我们可以用他们的协方差
(covariance)来判断。因为Kg^2=5^2/(5^2+4^2),所以Kg=0.78,我们可以估算出k时刻的
实际温度值是:23+0.78*(25-23)=24.56度。可以看出,因为温度计的covariance比较小(比
较相信温度计),所以估算出的最优温度值偏向温度计的值。
现在我们已经得到k时刻的最优温度值了,下一步就是要进入k+1时刻,进行新的最
优估算。到现在为止,好像还没看到什么自回归的东西出现。对了,在进入k+1时刻之前,
我们还要算出k时刻那个最优值(24.56度)的偏差。算法如下:((1-Kg)*5^2)^0.5=2.35。这
里的5就是上面的k时刻你预测的那个23度温度值的偏差,得出的2.35就是进入k+1时刻
以后k时刻估算出的最优温度值的偏差(对应于上面的3)。
tiankong
就是这样,卡尔曼滤波器就不断的把covariance递归,从而估算出最优的温度值。他运
行的很快,而且它只保留了上一时刻的covariance。上面的Kg,就是卡尔曼增益(Kalman
Gain)。他可以随不同的时刻而改变他自己的值。
DrKalman的卡尔曼滤波器。涉及一些基本的概念知识,包括概率(Probability),随机
变量(RandomVariable),高斯或正态分配(GaussianDistribution)等。
首先,要引入一个离散控制过程的系统。该系统可用一个线性随机微分方程来描述:
X(k)=AX(k-1)+BU(k)+W(k)
再加上系统的测量值:
Z(k
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